现代检测系统

现代检测系统概述本绪概述介绍了检测的定义、作用以及与计量的区别，详细论述了现代检测系统的作用、分类、组成及功能。

本绪重难点重点：测的定义、作用检测系统的组成和功能检测系统的分类难点：检测系统相关子系统的工作原理一、检测技术的地位与作用检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。

对工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产全过程进行检查、监测，对确保安全生产，保证产品质量，提高产品合格率，降低能源和原材料消耗，提高企业的劳动生产率和经济效益是必不可少的。

中国有句古话：“工欲善其事，必先利其器”，用这句话来说明检测技术在我国现代化建设中的重要性是非常恰当的，今天我们所进行的“事”就是现代化建设大业，而“器”则是先进的检测手段。

科学技术的进步、制造业和服务业的发展、军队现代化建设的大量需求，促进了检测技术的发展，而先进的检测手段也可提高制造业、服务业的自动化、信息化水平和劳动生产率，促进科学研究和国防建设的进步，提高人民的生活水平。

“检测”是测量，“计量”也是测量，两者有什么区别？一般说来，“计量”是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对送检量具、仪器或被测样品、样机进行考核性质的测量；这种测量通常具有非实时及离线和标定的性质，一般在规定的具有良好环境条件的计量室、实验室，采用比被测样品、样机更高精度的并按有关计量法规经定期校准的标准量具、器具或标准仪器进行测量。

而“检测”通常是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。

在工业生产中，为了保证生产过程能正常、高效、经济地运行，必须对生产过程的某些重要工艺参数（如温度、压力、流量等）进行实时检测与优化控制。

例如城镇生活污水处理厂在污水的收集、提升、处理、排放的生产过程中，通常需要实时准确地检测液位、流量、温度、浊度、泥位（泥、水分界面位置）、酸碱度（pH）、污水中溶解氧含量（DO）、五日化学需氧量（COD）、各种有害重金属含量等多种物理和化学成分参量；再由计算机根据这些实测物理、化学成分参量进行流量、（多种）加药（剂）量、曝气量及排泥优化控制；为保证设备完好及安全生产，需同时对污水处理所需机电动力设备和电气设备的温度、工作电压、电流、阻抗进行安全监测，这样才能实现污水处理安全、高效和低成本地运行。

据了解，目前国内外一些城市污水处理厂由于在污水的收集、提升、处理及排放的各环节均实现自动检测与优化控制，因而大大降低了污水处理的运营成本，其污水处理的平均运行费用约为0.4元／m3；而我国许多基本上靠人工操作的城镇污水处理厂其污水处理的平均运行费用约为1.0～1.6元／m3，两者相比差距十分明显。

在军工生产和新型武器、装备研制过程中更离不开现代检测技术，对检测的需求更多，要求更高。

研制任何一种新武器，从设计到零部件制造、装配到样机试验，都要经过成百、上千次严格的试验，每次试验需要同时高速、高精度地检测多种物理参量，测量点经常多达上千个。

飞机、潜艇等在正常使用时都装备了上百个不同的检测传感器，组成十几至几十种检测仪表，实时监测和指示各部位的工作状况。

在新机型设计、试验过程中需要检测的物理量更多，而检测点通常在5000个以上。

在火箭、导弹和卫星的研制过程中，需动态高速检测的参量也很多，要求也更高；没有精确、可靠的检测手段，要使导弹准确命中目标和卫星准确入轨是根本不可能的。

用各种先进的医疗检测仪器可大大提高疾病的检查、诊断速度和准确性，有利于争取时间，对症治疗，增加患者战胜疾病的机会。

随着生活水平的提高，检测技术与人们日常生活也愈来愈密切。

例如，新型建筑材料的物理、化学性能检测，装饰材料有害成分是否超标检测，城镇居民家庭室内的温度、湿度、防火、防盗及家用电器的安全监测等，不难看出检测技术在现代社会中的重要地位与作用。

二、现代检测系统的组成尽管现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递的流程来区分：通常由各种传感器（变送器）将非电被测物理或化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出（通常有4～20 mA、经D／A转换和放大后的模拟电压、开关量、脉宽调制PWM、串行数字通信和并行数字输出等），由以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备（如拨动开关、按钮、数字拨码盘、数字键盘等）便组成了一个完整的检测（仪器）系统，其各部分关系如图0-1所示。

1．传感器传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。

它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成一个相应的便于传递的输出信号。

传感器通常由敏感元件和转换部分组成；其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。

图0-1现代检测系统一般组成框图例如，半导体应变片式传感器能把被测对象受力后的微小变形感受出来，通过一定的桥路转换成相应的电压信号输出。

这样，通过测量传感器输出电压便可知道被测对象的受力情况。

这里应该说明，并不是所有的传感器均可清楚、明晰地区分敏感和转换两部分；有的传感器已将这两部分合二为一，也有的仅有敏感元件（如热电阻、热电偶）而无转换部分，但人们仍习惯称其为传感器（如人们习惯称热电阻、热电偶为温度传感器）。

传感器种类繁多，其分类方法也较多。

主要有按被测参量分类法（如温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、荷重传感器等），按传感器转换机理（工作原理）分类法（如电阻式、电容式、电感式、压电式、超声波式、霍尔式等）和按输出信号分类法（分为模拟式传感器和数字式传感器两大类）等。

采用按被测参量分类法有利于人们按照目标对象的检测要求选用传感器，而采用按传感器转换机理分类法有利于对传感器做研究和试验。

传感器作为检测系统的信号源，其性能的好坏将直接影响检测系统的精度和其他指标，是检测系统中十分重要的环节。

本书主要介绍工程上涉及面较广、应用较多、需求量大的各种物理量、化学成分量常用的先进的检测技术与实现方法以及如何选用合适的传感器，对传感器要求了解其工作原理、应用特点，而对如何提高现有各种传感器本身的技术性能，以及设计开发新的传感器则不作深入研究。

通常检测仪器、检测系统设计师对传感器有如下要求：（1）精确性传感器的输出信号必须准确地反应其输入量，即被测量的变化。

因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系；（2）稳定性传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响亦应很小，重复性要好；（3）灵敏度即要求被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号；（4）其他如耐腐蚀性好、低能耗、输出阻抗小和售价相对较低等。

各种传感器输出信号的形式也不尽相同，通常有电荷、电压、电流、频率等，在设计检测系统及选择传感器时对此也应给予重视。

2．信号调理信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续环节处理或显示。

例如，工程上常见的热电阻型数字温度检测（控制）仪表，其传感器Ptl00的输出信号为热电阻值的变化。

为便于处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号；由于信号中往往夹杂着50 Hz工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。

需要远传的话，通常采取D／A或V／I电路将获得的电压信号转换成标准的4～20 mA电流信号后再进行远距离传送。

检测系统种类繁多，复杂程度差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度、性能指标要求各不相同，它们所配置的信号调理电路的多寡也不尽一致。

对信号调理电路的一般要求是：（1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；（2）信噪比高，抗干扰性能要好。

3．数据采集数据采集（系统）在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。

数据采集系统通常以各类模／数（A／D）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样／保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。

数据采集系统的主要性能指标是：（1）输入模拟电压信号范围，单位V；（2）转换速度（率），单位次／s；（3）分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；（4）转换误差，通常指实际转换数值与理想A／D转换器理论转换值之差。

4．信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。

现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机。

当然，由于检测仪表、检测系统种类和型号繁多，被测参量不同，检测对象和应用场合各异，用户对各检测仪表的测量范围、测量精度、功能的要求差别也很大。

对检测仪表、检测系统的信号处理环节来说，只要能满足用户对信号处理的要求，则是愈简单愈可靠，成本愈低愈好。

对一些容易实现且传感器输出信号大，用户对检测精度要求不高，只要求被测量不要超过某一上限值，一旦越限，送出声（喇叭或蜂鸣器）、光（指示灯）信号即可的检测仪表的信号处理模块，往往只需设计一个可靠的比较电路，该电路的一端为被测信号，另一端为表示上限值的固定电平；当被测信号小于设定的固定电平值，比较器输出为低电平，声、光报警器不动作，一旦被测信号电平大于固定电平值，比较器翻转，经功率放大驱动扬声器、指示灯动作。

这种简单系统的信号处理就很简单，只要一片集成比较器芯片和几个分立元件即可。

但对于热处理和炉温检测、控制系统来说，其信号处理电路将大大复杂化。

因为对热处理炉炉温测控系统，用户不仅要求系统高精度地实时测量炉温，而且需要系统根据热处理工件的热处理工艺制定的时间-温度曲线进行实时控制（调节）。

如果采用一般通用的中小规模集成电路来构建这一类较复杂的检测系统的信号处理模块，则不仅构建技术难度很大，而且所设计的信号处理模块必然结构复杂，调试困难，性能和可靠性差。

由于微处理器、单片机和大规模集成电路技术的迅速发展和这类芯片价格不断降低，对稍复杂一点的检测系统（仪器）其信号处理环节都应考虑选用合适型号的单片机、微处理器、DSP或新近开始推广的嵌入式模块为核心来设计和构建（或者由工控机兼任），从而使所设计的检测系统获得更高的性能价格比。